Kritik Segmental Tibia Defektleri İçin TPMS Tabanlı Gözenekli İmplant Tasarımı ve Sonlu Elemanlar Analizi
Kemiğin kendiliğinden onaramayacağı kayıp
Tibia, vücut ağırlığını zemine aktaran ana yük taşıyıcı kemiklerden biridir. Travma, tümör rezeksiyonu ve şiddetli enfeksiyon sonrası oluşan kritik boyutlu segmental defektler, belirli bir uzunluğu aştığında kemiğin doğal iyileşme kapasitesini aşar.
Bu çalışma, tibia diyafizinde 50 mm uzunluğundaki bir defektin rekonstrüksiyonunu hedefler — yalnızca boşluğu doldurmak değil, yük taşımak ve biyolojik bütünleşmeyi desteklemek gerekir.
TPMS: matematiğin tarif ettiği gözenek
Üç Boyutlu Periyodik Minimum Yüzeyler; sürekli, pürüzsüz ve kendini kesmeyen yüzeylerdir. Çubuk kafeslerin keskin düğümlerine kıyasla gerilme yığılmasını azaltır ve trabeküler kemiğin bağlantılı gözenek ağını taklit eder.
Tek yapı her şeyi yapamaz — o yüzden hibrit
Doğal kemik dışta yoğun kortikal, içte gözenekli trabeküler yapıdadır. Aynı fonksiyonel derecelendirmeyi implanta taşıyoruz:
- Gyroid dış kabuk — kemik–implant arayüzünde doku uyumu, yüksek yüzey alanı ve dengeli yük geçişi.
- Diamond iç çekirdek — eksenel bası yüklerini taşıyan rijit merkez.
- İki topoloji 0.7 mm blend ile sürekli biçimde kaynaştırılır.
Aynı geometri iki malzemeyle çözülür: Ti-6Al-4V ve β-Titanyum.
Silindir değil, gerçek anatomi
Tibia diyafizinden 50 mm'lik segment kesilerek implantın dış sınır hacmi elde edildi. STEP formatında nTopology'ye aktarılıp örtük gövdeye dönüştürüldü.
Düşük tolerans (0.01 mm), organik dış konturun korunmasını sağladı — implant tibianın gerçek yüzeyine uyumlu.
Çekirdek–kabuk hacminin inşası
Doğrudan offset, boyuna doğrultuda çekirdeği kısaltıyordu. Çözüm: önce gövdeyi Y ekseninde 1.24 kat ölçekle, sonra −5 mm offset ile çekirdek hacmini çıkar.
- Remap Scale Body — boyuna sürekliliği korur.
- Boolean Subtract — dış hacimden çekirdeği çıkararak kabuğu üretir.
- Boolean Intersect — her topolojiyi kendi bölgesine hapseder.
- Boolean Union (0.7 mm blend) — arayüzü yumuşatır.
Sayılarla hibrit implant
| Parametre | Değer |
|---|---|
| İmplant uzunluğu | 50 mm |
| Birim hücre boyutu | 3 × 3 × 3 mm |
| Dış kabuk kalınlığı | 5 mm |
| Gyroid cidar kalınlığı | 0.4 mm |
| Diamond cidar kalınlığı | 0.8 mm |
| Geçiş yarıçapı (blend) | 0.7 mm |
| Hacimsel doluluk oranı | %39 |
| Porozite oranı | %61 |
Porozite hedefi %50–65 aralığında — osseointegrasyon için literatürle uyumlu. Farklı topolojiler aynı doluluğa farklı cidar kalınlıklarıyla getirildi.
Analiz kurulumu: 5BW ekstrem yükleme
| Malzeme | E (GPa) | ν | ρ (kg/m³) |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | 107 | 0.323 | 4430 |
| β-Titanyum | 60 | 0.33 | 4820 |
- Alt yüzey — sabit mesnet (tüm yer değiştirmeler kısıtlı).
- Üst yüzey — çok eksenli bası: Fy = 3924 N, Fx = Fz = −392.4 N.
- Lineer elastik statik analiz · ANSYS Workbench.
Hibrit, en düşük tepe gerilmesini verdi
| RVE Modeli | Def. (mm) | σvM (MPa) |
|---|---|---|
| Gyroid | 0.0282 | 743.8 |
| Diamond | 0.0402 | 1090.7 |
| Hibrit | 0.0327 | 679.4 |
Hibrit model, deformasyonda saf Gyroid ile Diamond arasında dengeli kalırken, maksimum Von Mises gerilmesinde her ikisinden de düşük değer verdi.
Ti-6Al-4V — rijit ve düşük deformasyonlu
Yüksek modül → düşük deformasyon. Yüksek gerilmeler model geneline değil, yük/mesnet ve ince cidar geçişlerine lokaldir.
β-Titanyum — uyumlu ve esnek
Düşük modül → daha fazla elastik deformasyon, fakat neredeyse aynı maksimum gerilme. Kemik–implant rijitlik uyumu açısından avantajlı.